江苏省农村地表水功能区水环境单因子指标评价与空间分析*

王 梁，陈守越

(临沂大学，山东临沂 276000)

水是人类社会赖以生存和发展的基础，水环境质量的高低严重影响人民生命健康与社会经济发展。氮元素是植物生长所需的重要营养元素，是天然水体中的重要生源要素。也是引起水体富营养化的主要营养元素之一。氨氮是水体中氮素存在的主要形式之一，通常被作为评价水体水质及功能的重要指标［1］。

江苏省由于人口密度大，经济的快速发展，加上长期以来忽视了生态环境的保护，生活垃圾、化肥农药和工业“三废”对河流和土地的污染日趋严重，极大地影响了经济和社会的可持续发展。根据《2009～2011年度江苏省环境状况公报》，2009～2011年江苏省废水排放量达50.90亿t，氨氮排放量为6.98万t。其中工业废水氨氮排放量为1.39万t，占19.9%，生活污水氨氮排放量为5.59万t，占80.1%。与2006～2008年相比，在GDP增长12.5%的情况下，全省工业废水排放量减少9 400万t，氨氮排放总量减少48万t。水体中氮素的来源包括工业废水及生活污水的大量排放，这些人为活动增加了河流中氮的含量，改变了河流原有的结构和功能，引起水质恶化，从而加剧了水体富营养化的发生。因此，通过对水环境中氨氮含量的研究分析可从一定程度上判定水体的环境质量。国内对氨氮污染指标评价的研究以工程化调控技术研究为主［2］，但对污染严重且受到强烈人工干扰的区域水环境污染物空间分布特征的研究较少。为此，该文在全面调查江苏省重点河水系现状的基础上，分析了水环境氨氮分布特征，并根据氨氮污染物浓度对水体进行了分类，对氨氮的空间自相关进行了比较，以期为控制氨氮污染物排放及水环境治理提供理论依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

根据自然、社会、经济等条件的差异将全省分为苏南地区 (苏州、无锡、常州)、苏中地区 (南京、镇江、扬州、泰州、南通)、苏北地区 (连云港、淮安、盐城、宿迁、徐州)三大区域。2009～2011年对农村区域内重点河流域进行了全面考察的基础上，确定农村地表水采样点260个(图1)。采样点主要分布在在重要的工业用水区、农业用水区、渔业用水区、饮用水水源保护区和景观娱乐用水区。取样时间分别为每年春季3～5月、秋季9～11月。对每个市的农村地表水监测断面重复取3个点，每个点取3个重复样。取样后12小时内将样品送回实验室进行氨氮含量分析。

水环境功能区氨氮的分析采用纳氏比色法。

图1 江苏省农村地表水取样点分布

1.2 研究方法

1.2.1 单因子污染指数评价

单因子污染指数评价表示单项污染物对水质污染影响的程度，其计算公式为:

式中Pi为单项污染指标的污染指数;Ci为单项污染指标的实测浓度;Si为2002年国家公布的地面水环境质量标准中氨氮指标的Ⅲ类水标准 (GB3838—2002)［3-4］。氨氮指标的单因子评价分级如表1所示。

1.2.2 局部空间自相关分析

应用GIS制图技术［5-6］和局部空间自相关统计分析方法对水环境中氨氮指标的空间特征分析。局部空间自相关分析可度量每个区域单位与其周边邻近地区之间的局部空间关联和差异程度，以Moran散点地图或LISA聚集图等形式反映邻近区域单元间的空间相似性或相关性，从而识别空间集聚和空间孤立，探测空间异质等空间特征，并弥补了全局空间自相关指数难以探测出空间集聚位置及区域相关的程度的局限。

表1 氨氮指标评价分级

空间联系局域指标 (Local Indicators of Spatial Association，即LISA)用来度量区域i与其周边地区之间的空间差异程度及其显著性。

局部 Moran 指数 Ii的计算公式为［7－8］:

式中:n是参与分析的空间单元数;xi和xj分别表示某现象或属性特征在空间单元i和j上的观测值;是观测值的均值;wij为研究对象i和j之间的空间邻接矩阵。空间邻接矩阵用来定义空间对象的相互邻接关系，是空间自相关分析的前提，一般按照邻接规则或是距离规则定义［9-10］。

根据各个区域单元局部空间自相关指标 (LISA)的不同可以将区域单元与其邻近区域单元之间的局部空间联系形式分为4种类型:第一类型为高指标值的区域单元被同是高值的区域单位所包围的空间联系形式 (高高);第二类型为低指标值的区域单元被高值的区域单位所包围的空间联系形式 (低高);第三类型为低指标值的区域单元被同是低值的区域单位所包围的空间联系形式 (低低);第四类型为高指标值的区域单元被低值的区域单位所包围的空间联系形式 (高低)［11-12］。

采用GeoDa软件进行空间自相关统计分析。

2 结果与分析

2.1 单因子评价

江苏省各地市农村地表水功能区水环境中氨氮指标的单因子评价结果差异较大 (表2)。总体来看，江苏省13个地市农村地表水功能区水环境中部分地区氨氮含量超标，存在一定程度的氨氮污染。

表2 各地市农村地表水功能区水环境氨氮指标单因子评价结果 (2009～2011)

从季节变化来看，2009～2011年春季，常州市功能区水环境中的氨氮均值评价结果在13个地市中最差，评价为严重污染，说明常州市农村地表水功能区中氨氮含量均值偏高，存在非常严重的氨氮污染。无锡、南京、扬州、南通等地区的评价结果为轻度至中度污染，其他地区氨氮指标评价为警戒限或无污染，其中苏北地区除盐城外，其他各市调查水体中的氨氮含量均值较低，评价结果为无氨氮污染。2009～2011秋季，常州市仍然是氨氮污染最为严重的地区，但是与春季相比，氨氮指标含量有较大下降，评价结果为轻度污染。苏北地区中的连云港、淮安、宿迁、徐州等地区的评价结果同春季一致，均为无污染。苏中地区的泰州市调查水体中的氨氮含量均值较春季进一步下降，评价为无污染。其他地区污染指数皆在警戒限范围内。

江苏省13个地市的整体评价结果秋季较春季好，只有镇江、淮安、盐城、徐州的单因子评价污染指数略有上升，但上升幅度未改变评价结果，其他各市污染指数都有所下降。其主要原因，一方面秋季氨氮排放量较春季少，另一方面秋季的降雨量远高于春季，一定程度上稀释了水体中氨氮的浓度。从区域来看，苏北地区评价结果优于苏中地区，而苏南地区为三大区域中氨氮污染最为严重的地区 (表3)。苏南地区春季氨氮污染较为严重，评价为中度污染，秋季评价为轻度污染。其中常州为主要污染地区，苏州、无锡、常州的氨氮污染依次加重。苏中地区春季区域整体氨氮含量评价为轻度污染，秋季污染指数降至警戒限内。其中南京市氨氮含量均值下降较快，从春季的中度污染降至警戒限，扬州、南通较区域内其他各市氨氮污染指数偏高。苏北地区春、秋季评价结果均为无污染，且各地市的评价结果也无变化，说明该地区调查水体中氨氮含量较为稳定，且污染较少，其中盐城市氨氮含量评价为警戒限，为区域内水体中氨氮含量较高的地区。

表3 区域农村地表水功能区水环境氨氮单因子评价结果 (2009～2011)

水环境中氨氮的主要来源为工业废水、生活污水的排放及农业生产中氮肥的流失。地区之间氨氮含量的差异与各地区的自然、经济条件密不可分。苏南地区区域面积较小，人口较为密集，水体中生活污水的排放强度较大，导致水体中氨氮含量及浓度较高。苏南地区经济较为发达，工业废水排放强度也远高于其他区域，同样导致水体中氨氮含量的上升。虽然苏北地区是江苏省主要农业生产区域，其化肥施用量及使用强度远高于苏南地区，但是目前农业生产中氮肥的流失仅是氨氮排放中较小的一部分，不足以对区域的氨氮排放总量产生决定性的影响。

2.2 江苏省农村地表水功能区氨氮指标空间分布现状

江苏省农村地表水功能区水环境中氨氮指标空间分布现状如图2。从图2可以看出，春季氨氮指标的空间差异性较大，从Ⅰ—Ⅱ类水质标准到劣Ⅴ类水质标准皆有出现。其中15个县市达到了Ⅰ—Ⅱ类水水质标准，主要分布在苏北的徐州、连云港、盐城和苏中的南京等地区;34个县市达到了Ⅲ类水水质要求，主要分布于苏北除大丰市、Ⅰ—Ⅱ类区域以外的全部地区，苏中的南通、镇江、扬州、泰州的部分县市及高淳县，苏南的昆山、张家港、吴江及溧阳、江阴等市;10个县市为Ⅳ类水水质标准，主要分布在苏北的大丰市，苏中的南通部分县市、扬州市区、姜堰市，苏南的苏州部分县市及宜兴市;符合Ⅴ类水质标准的县市共有2个，为金坛市、泰州市区;该项指标劣于Ⅴ类水地区共4个，分别为江都市、常州市区、无锡市区、南京市区。总体来说部分地区氨氮浓度较高，污染区域相对集中，苏北地区该指标浓度明显低于其他地区。

2009～2011年秋季，全省地表水环境氨氮浓度有17个县市达到了Ⅰ—Ⅱ类水水质要求，主要分布在苏北的徐州、连云港、盐城、淮安部分县市及苏中的南通市区、句容市、仪征市、靖江市、泰州市区等地;10个县市为Ⅳ类水水质标准，主要有苏北的大丰市、赣榆县、睢宁市，苏中的如东县、扬州市区、姜堰市，苏南的常州市区、常熟市、昆山市、江阴市;Ⅴ类水质标准的县市有2个，为江都市、金坛市;其余的36个县市全部达到了Ⅲ类水水质要求，在苏南、苏中、苏北都有集中分布。

由宏观尺度上分析，2009～2011年秋季的氨氮污染状况较春季有明显的改善，春季的污染区域较为集中。赣榆县、睢宁县春季氨氮浓度属于Ⅱ类水标准，但秋季却升高至Ⅳ类水标准;而南京市、泰州市等地区水质状况改善较为明显。苏北大部分地区及南通、扬州等苏中地区水体中氨氮浓度较为稳定，季节变化不大。

图2 2009～2011年江苏省农村地表水环境氨氮空间分布

2.3 江苏省农村地表水功能区氨氮指标空间自相关分析

在Z检验 (5%)的基础上绘制出LISA聚集图 (图3)，从图3可以看出，2009～2011年春季与秋季相比，江苏省农村地表水功能区水环境中氨氮含量的空间聚集态势变化特征如下:(1)空间差异较小、区域自身和区域周边氨氮浓度均显著较高 (显著HH)的县市个数由5个增加到为6个，春季为无锡市的3个市区、泰州市区、姜堰市，秋季为宜兴市、无锡市区、常州市区、扬中市区、兴化市、太仓市，主要区域集中在无锡、泰州一带，分布范围及空间聚集态势有扩大的趋势;上述地区人口密度、工业废水排放量在全省范围内较高。(2)空间差异较小、区域自身和区域周边氨氮浓度均显著较低 (显著LL)的县市个数由5个减少到了4个，主要分布区域由春季的丰县、沛县、铜山县、睢宁县、涟水县变为丰县、沛县、铜山县、徐州市区，徐州地区秋季氨氮含量与周边地区的差距减小，形成了显著LL聚集区;该类型地区的共同特征是工业废水排放强度较低，人口密度较小。(3)自身氨氮浓度较低而周边地区氨氮浓度较高 (显著LH)的县市由上半年的扬中市变为泰州市区、丹阳市，该类型区域的形成同时周边区域常为显著HH聚集区。(4)自身氨氮浓度较高而周边地区较低 (显著HL)的县市范围有所调整，由春季的南京市区转为秋季的睢宁县、涟水县。睢宁县由于秋季氨氮含量升高导致空间集聚状态的改变，而涟水县是由于周边区域氨氮含量下降而呈现新的空间集聚状态。

总体来看，显著高高区域主要集中在苏南的无锡市、常州市地区，该区域是氨氮污染的集中区域，地区整体氨氮浓度过高;显著低低区域主要集中在苏北地区的徐州市，其区域氨氮单因子污染指数是13个地市中最低的;空间聚集态势的变化主要集中在显著低高与显著高低的区域，上述两种区域类型随自身氨氮浓度与周边地区氨氮浓度的变化而变化。春秋两季氨氮浓度空间聚集态势虽有变化，但整体的聚集态势格局变化不大，说明江苏省农村地表水功能区水环境中的氨氮浓度存在较强的空间聚集分布。

图3 2009～2011年江苏省农村地表水环境氨氮空间聚集

3 结论及建议

3.1 结论

(1)从单因子污染评价来看，江苏省三大主要区域间的污染状况有较大差异，苏北地区基本不存在氨氮污染，而苏南地区水体中氨氮浓度过高，存在较为严重的氨氮污染。秋季较春季氨氮浓度有较大下降，污染状况有所减轻。

(2)从江苏省县域氨氮指标空间分布状况来看，春季各县市水质状况差异较大，部分县市氨氮污染非常严重，但污染区域相对集中;秋季苏南地区的污染集中区域氨氮浓度下降明显，污染状况整体好转。

(3)从江苏省县域氨氮指标空间聚集态势来看，氨氮指标具有较强的空间聚集分布态势，形成了以无锡为主的显著高高区域和以徐州为主的显著低低区域，空间趋同性较强，空间集聚区的形成有利于区域环境污染防治的开展。

3.2 建议

通过提高对工业企业氨氮的排放标准，督促企业进行深度治理，实现稳定的达标排放;根据流域水质的情况，分期分批在城市污水处理厂增加脱磷除氮的功能;对集中式规模化的畜禽养殖场进行污染的治理;推广测土施肥的方法，减少农业的化肥使用量以控制氨氮水环境污染。

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